金屬高溫力學(xué)性能

金屬高溫力學(xué)性能第一節(jié)金屬的蠕變比溫度蠕變曲線蠕變機(jī)理蠕變斷裂機(jī)理第2頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、化工煉油設(shè)備以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的構(gòu)件都是長(zhǎng)期在高溫條件下工作的。材料的高溫力學(xué)性能不同于室溫。1）何謂高溫？金屬材料：T>0.3-0.4Tm；(Tm為材料的熔點(diǎn)，以絕對(duì)溫度K計(jì)算)陶瓷材料：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg

（Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）約比溫度第3頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響材料在高溫下將發(fā)生蠕變現(xiàn)象（材料在恒定應(yīng)力的持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形）。材料在高溫下的強(qiáng)度與載荷作用的時(shí)間有關(guān)。載荷作用時(shí)間越長(zhǎng)，引起變形的抗力越小。材料在高溫下不僅強(qiáng)度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，作用時(shí)間越長(zhǎng)，塑性降低越顯著，甚至出現(xiàn)脆性斷裂。與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛（恒定應(yīng)變下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間降低的現(xiàn)象）。第4頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天溫度和時(shí)間對(duì)斷裂形式的影響

溫度升高時(shí)，晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都要降低，但由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴(kuò)散容易通過(guò)晶界進(jìn)行，因此，晶界強(qiáng)度下降較快。

晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度稱為“等強(qiáng)溫度”TE。當(dāng)材料在TE以上工作時(shí)，材料的斷裂方式由常見的穿晶斷裂過(guò)渡到晶間斷裂。

材料的TE不是固定不變的，變形速率對(duì)它有較大影響。因晶界強(qiáng)度對(duì)形變速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE隨變形速度的增加而升高。第5頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天第6頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天材料的蠕變

材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變（Creep）。

由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。

材料的蠕變可在任何溫度范圍內(nèi)發(fā)生，不過(guò)高溫時(shí)，變形速度高，蠕變現(xiàn)象更明顯。陶瓷材料在室溫一般不考慮蠕變；高分子材料在室溫下就能發(fā)生蠕變。第7頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天典型蠕變曲線第8頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天蠕變曲線描述蠕變變形規(guī)律的參量主要有：應(yīng)力、溫度、時(shí)間、蠕變變形量和變形速率等，其關(guān)系為：式中為蠕變速率，

為應(yīng)力，T為絕對(duì)溫度，

為蠕變變形量，m1和m2為與晶體結(jié)構(gòu)特性（如彈性模量等）和組織因素（如晶粒度等）有關(guān)的參量。1.金屬與陶瓷材料的蠕變曲線（1）ab段為蠕變第I階段，稱為減速蠕變階段，其蠕變變形速度與時(shí)間的關(guān)系可用下式表示：式中A、n皆為常數(shù)，且0<n≤1。第9頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）bc段為蠕變第II階段，此階段蠕變速度基本不變，為恒速（穩(wěn)定）蠕變階段。此時(shí)的蠕變速度稱最小蠕變速度，即通常所謂的蠕變速度，其蠕變量為：（3）cd段為蠕變第III階段，為加速蠕變階段。此時(shí)材料因產(chǎn)生頸縮或裂紋而很快于d點(diǎn)斷裂。蠕變斷裂時(shí)間及總變形量為tr及

r。

第II階段的蠕變速度及

r(持久斷裂時(shí)間)、

r(持久斷裂塑性)是材料高溫力學(xué)性能的重要指標(biāo)。蠕變曲線與應(yīng)力、溫度有關(guān)；應(yīng)力小、溫度低時(shí)，蠕變速率低、第II階段長(zhǎng)；應(yīng)力增加、溫度升高后，第II階段變短、甚至消失。第10頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天金屬和陶瓷材料的蠕變變形機(jī)制1.

位錯(cuò)滑移蠕變塑性變形→位錯(cuò)滑移→塞積、強(qiáng)化、更大切應(yīng)力下才能重新運(yùn)動(dòng)→變形速度減??；在高溫下，靠熱激活和空位擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行→刃位錯(cuò)發(fā)生攀移→位錯(cuò)在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)→位錯(cuò)源再次開動(dòng)、使蠕變得以不斷發(fā)展（動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程）→蠕變速度增大。第I階段，材料因變形而強(qiáng)化，阻力增大，速率減小。第II階段，材料強(qiáng)化與動(dòng)態(tài)回復(fù)共存，達(dá)到平衡，蠕變速率維持不變。第11頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.擴(kuò)散蠕變發(fā)生在T/Tm>0.5的情況下，是大量原子和空位的定向移動(dòng)的結(jié)果。無(wú)外力作用下，原子和空位的移動(dòng)無(wú)方向性，材料無(wú)塑性變形。有外力作用時(shí)，拉應(yīng)力下的晶界產(chǎn)生空位，而壓應(yīng)力作用下的晶界空位濃度小，因此空位由拉應(yīng)力晶界向壓應(yīng)力晶界遷移，致使晶體產(chǎn)生伸長(zhǎng)的蠕變。擴(kuò)散途徑：（1）空位沿晶內(nèi)流動(dòng)，Nabarro-herring機(jī)制；（2）沿晶界流動(dòng)，Coble機(jī)制。擴(kuò)散蠕變機(jī)理第13頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.晶界滑動(dòng)蠕變高溫下（T/Tm>0.5），晶界上的原子易擴(kuò)散，受力后發(fā)生滑動(dòng)，促進(jìn)蠕變；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔點(diǎn)氧化物聚集之處，易于形成玻璃相。在溫度較高時(shí)，晶界粘度迅速下降。外力導(dǎo)致晶界粘滯性流動(dòng)，發(fā)生蠕變。晶界形變?cè)诟邷貢r(shí)很顯著，甚至能占總?cè)渥冏冃瘟康囊话?，晶界的滑?dòng)是通過(guò)晶界的滑移和遷移來(lái)進(jìn)行的。第14頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響等溫曲線（

4>3>2>1）等應(yīng)力曲線（T4>T3>T2>T1）應(yīng)力松弛在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料的應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛是應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過(guò)程。第15頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天楔形空洞的形成蠕變斷裂機(jī)理1.楔形裂紋第16頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天空位聚積形成空洞示意圖空洞形成示意圖2.由空洞形成晶界裂紋（較低應(yīng)力和較高溫度）第17頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天第18頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)高溫力學(xué)性能指標(biāo)蠕變極限持久強(qiáng)度極限剩余應(yīng)力與應(yīng)力松弛影響因素第19頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天蠕變極限為保證在高溫長(zhǎng)期載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過(guò)量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷作用下材料對(duì)塑性變形抗力的指標(biāo)。蠕變極限一般有兩種表示方法：在給定溫度T下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值，以符號(hào)（MPa）表示（其中為第II階段蠕變速度，%/h）。例如：表示在600℃的條件下，蠕變速度為110-5%/h的蠕變極限為600MPa。在給定溫度T和在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間（

，小時(shí)）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變變形量（

，%）的應(yīng)力值，以符號(hào)表示。例如：表示在600℃的條件下，10萬(wàn)小時(shí)后伸長(zhǎng)率為1%的蠕變極限為100MPa。第20頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天第21頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天持久強(qiáng)度材料在高溫下的變形抗力與斷裂抗力也是兩種不同的性能指標(biāo)。對(duì)于高溫材料除測(cè)定蠕變極限外，還必須測(cè)定其在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力，即持久強(qiáng)度。材料的持久強(qiáng)度，是在給定溫度T下，恰好使材料經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間（t）發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以（MPa）表示。如：某材料在700℃承受30MPa的應(yīng)力作用，經(jīng)1000h后斷裂，則稱這種材料在700℃、1000h的持久強(qiáng)度為30MPa，寫成=30MPa。第22頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天持久強(qiáng)度的測(cè)定持久強(qiáng)度一般通過(guò)作持久試驗(yàn)測(cè)定，只要測(cè)定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時(shí)間。（1）對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)百至數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，可以直接用同樣時(shí)間的試驗(yàn)來(lái)確定。（2）對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的機(jī)件，一般做出一些應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫在lgt-lg

坐標(biāo)圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時(shí)間不超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)）求出數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度。由持久強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)量試樣在斷裂后的伸長(zhǎng)率及斷面收縮率，還能反映出材料在高溫下的持久塑性。第23頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天剩余應(yīng)力金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可以通過(guò)應(yīng)力松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來(lái)評(píng)定。剩余應(yīng)力

r是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。應(yīng)力松弛曲線松弛應(yīng)力剩余應(yīng)力第24頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)力松弛零件或材料在總應(yīng)變保持不變時(shí)，其中的應(yīng)力隨著時(shí)間延長(zhǎng)而自行降低的現(xiàn)象，叫做應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛可分為三個(gè)階段：第I階段：在開始階段應(yīng)力下降很快；第II階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力；其原因是由于隨時(shí)間增長(zhǎng)，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危磸椥詰?yīng)變不斷減小，所以零件中的應(yīng)力相應(yīng)地降低。應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低時(shí)的“多級(jí)”蠕變。第25頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天松弛曲線第26頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天金屬材料的應(yīng)力松弛高溫條件下金屬材料會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，如高溫條件工作的緊固螺栓和彈簧都會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。零件總應(yīng)變可寫作彈性應(yīng)變

e和塑性應(yīng)變

p之和，即：

=e+p=常數(shù)

應(yīng)力松弛曲線：是在給定溫度和總應(yīng)變條件下，應(yīng)力隨著時(shí)間的變化曲線。

松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。常用金屬材料在一定溫度T和一定初應(yīng)力

0作用下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間t后的“殘余應(yīng)力”

的大小作為松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。第27頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天蠕變極限和持久強(qiáng)度的影響因素由蠕變斷裂機(jī)理可知：1）要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速度；2）要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界的滑動(dòng)，也就是說(shuō)要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過(guò)程。（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。熔點(diǎn)愈高的金屬(Cr、W、Mo、Nb)，自擴(kuò)散愈慢；層錯(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，位錯(cuò)難以交滑移、攀移；彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移；第28頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，星期天能增加晶界擴(kuò)散激活能的添加元素(如硼及稀土)，則既能阻礙晶界滑動(dòng)，又增大晶界裂紋的表面能。面心立方結(jié)構(gòu)的材料比體心立方結(jié)構(gòu)的高溫強(qiáng)度大。（二）冶煉工藝的影響降低夾雜物和冶金缺陷的含量；通過(guò)定向凝固工藝，減少橫向晶界，提高持久強(qiáng)度，因?yàn)樵跈M向晶界上容易產(chǎn)生裂紋。（三）熱處理工藝的影響珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝?；鼗饻囟葢?yīng)高于使用溫度100~150℃以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。第29頁(yè),共30頁(yè)，2024年2月25日，